Chemie von Graphen-Nanobändern

• Antragsteller: Professor Dr. Siegfried Eigler
• Fachliche Zuordnung: Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 249559513

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Dieses Projekt basierte auf der Entdeckung des Antragstellers, dass intaktes Graphen, ohne Gitterdefekte, durch kontrollierte Oxidation zugänglich ist. Anhand dieser Erkenntnis gelang es in der ersten Förderphase eine kontrollierte Chemie von oxo-funktionalisiertem Graphen zu etablieren. Ziel der zweiten Förderphase war es aus Kohlenstoffnanoröhren Graphen-Nanobänder herzustellen und chemisch zu funktionalisieren. Mit dem Projekt gelang es die Chemie von Graphen weitgehend zu kontrollieren. So können Typ und Anteil von Kohlenstoff-Sauerstoffbindungen eingestellt werden. Ebenso wurde die Rolle von Defekten in oxo-funktionalisiertem Graphen erkannt und für Reaktionen ausgenutzt. Die laterale Größe von oxo-Graphenflocken konnte experimentell eingestellt und der Bruchmechanismus aufgeklärt werden. Es gelang die Toxizität abzuschalten und die Prozessierbarkeit der Materialien zu verbessern. Außerdem wurden Grenzen der Chemie von Graphen erkannt, wie z.B. die Regiochemie oder die Kontrolle über chirale Zentren. Im Laufe des Projekts stellten wir fest, dass elektrische Ladung in Verbundmaterialien gespeichert werden kann, indem wir oxo-funktionalsiertes Graphen als eine dielektrische Schicht einführten, was zu einem Informationsspeichermaterial führte. Wir entdeckten auch unerwartete Eigenschaften wie die Photolumineszenz, die für die Intensität des Raman-Signals verantwortlich ist, wodurch sich der Grad der Funktionalisierung von Graphen auch für hohe Funktionalisierungsgrade von >1% nun quantifizieren lassen. Die Chemie von Graphenoxid und oxo-funktionalsiertem Graphen kann nun quantitative mit der Graphenchemie in Verbindung gebracht werden. Gewonnene Erkenntnisse der ersten Förderphase wurden auf die Substanzklasse der Kohlenstoffnanoröhrchen übertragen, um Graphen-Nanobänder herzustellen. Graphen- Nanobänder sind schmale, längliche Ausschnitte aus einer Lage Kohlenstoffatome, wie sie in Graphit angeordnet sind. Herausforderungen liegen in der Herstellung von Graphen-Nanobänder. So ist beispielsweise die Länge synthetisch begrenzt und die Prozessierbarkeit ist nur eingeschränkt möglich, was auf eine mangelnde Löslichkeit zurückzuführen ist. Hier gelang es einwandige Kohlenstoffnanoröhren zu öffnen, um einheitliche Graphen-Nanobänder mit gleichbleibender Breite und Eigenschaften zu erhalten, wohingegen das Öffnen mehrlagiger Kohlenstoffnanoröhren zu unterschiedlich breiten Bändern führt. Es gelang einwandige (6,5)-angereicherte Kohlenstoffnanoröhren oxidativ zu öffnen. Hierbei stellte sich heraus, dass ein mildes oxidatives Verfahren zielführend ist. Es gelang ein Strukturmodell für oxidativ geöffnete einwandige Kohlenstoffnanoröhren anhand vielfältiger Analysemethoden abzuleiten. Dabei gelang auch eine Funktionalisierung der Ränder von Graphen-Nanobändern, so dass nun die Möglichkeit einer chemischen Funktionalisierung von Graphen-Nanobändern besteht.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Chemistry with Graphene and Graphene Oxide—Challenges for Synthetic Chemists. Angewandte Chemie International Edition, 53(30), 7720-7738.
  Eigler, Siegfried & Hirsch, Andreas
  
• Efficient route to high-quality graphene materials: Kinetically controlled electron beam induced reduction of graphene oxide in aqueous dispersion, Am. J. of Nano Res. Appl. 2014, 2, 9
  Flyunt, R.; Knolle, W.; Kahnt, A.; Eigler, S.; Lotnyk, A.; Häupl, T.; Prager, A.; Guldi, D. & Abel, B.
  
• Mechanistic insights into the reduction of graphene oxide addressing its surfaces. Phys. Chem. Chem. Phys., 16(37), 19832-19835.
  Eigler, Siegfried
  
• Scalable self-assembled reduced graphene oxide transistors on flexible substrate. Applied Physics Letters, 104(24).
  Wang, Zhenxing; Eigler, Siegfried & Halik, Marcus
  
• A facile approach to synthesize an oxo-functionalized graphene/polymer composite for low-voltage operating memory devices. Journal of Materials Chemistry C, 3(33), 8595-8604.
  Wang, Zhenxing; Eigler, Siegfried; Ishii, Yoshitaka; Hu, Yichen; Papp, Christian; Lytken, Ole; Steinrück, Hans-Peter & Halik, Marcus
  
• Endoperoxides Revealed as Origin of the Toxicity of Graphene Oxide. Angewandte Chemie International Edition, 55(1), 405-407.
  Pieper, Hanna; Chercheja, Serghei; Eigler, Siegfried; Halbig, Christian E.; Filipovic, Milos R. & Mokhir, Andriy
  
• Graphite sulphate – a precursor to graphene. Chemical Communications, 51(15), 3162-3165.
  Eigler, Siegfried
  
• How fast is the reaction of hydrated electrons with graphene oxide in aqueous dispersions?. Nanoscale, 7(46), 19432-19437.
  Kahnt, Axel; Flyunt, Roman; Laube, Christian; Knolle, Wolfgang; Eigler, Siegfried; Hermann, Ralf; Naumov, Sergej & Abel, Bernd
  
• Towards the Synthesis of Graphene Azide from Graphene Oxide. Molecules, 20(12), 21050-21057.
  Halbig, Christian; Rietsch, Philipp & Eigler, Siegfried
  
• Controlled Chemistry Approach to the Oxo‐Functionalization of Graphene. Chemistry – A European Journal, 22(21), 7012-7027.
  Eigler, Siegfried
  
• Extending the environmental lifetime of unpackaged perovskite solar cells through interfacial design. Journal of Materials Chemistry A, 4(30), 11604-11610.
  Chen, Haiwei; Hou, Yi; Halbig, Christian E.; Chen, Shi; Zhang, Hong; Li, Ning; Guo, Fei; Tang, Xiaofeng; Gasparini, Nicola; Levchuk, Ievgen; Kahmann, Simon; Ramirez Quiroz, Cesar Omar; Osvet, Andres; Eigler, Siegfried & Brabec, Christoph J.
  
• Graphene Oxide: A One- versus Two-Component Material. Journal of the American Chemical Society, 138(36), 11445-11448.
  Naumov, Anton; Grote, Fabian; Overgaard, Marc; Roth, Alexandra; Halbig, Christian E.; Nørgaard, Kasper; Guldi, Dirk M. & Eigler, Siegfried
  
• High quality reduced graphene oxide flakes by fast kinetically controlled and clean indirect UV-induced radical reduction. Nanoscale, 8(14), 7572-7579.
  Flyunt, Roman; Knolle, Wolfgang; Kahnt, Axel; Halbig, Christian E.; Lotnyk, Andriy; Häupl, Tilmann; Prager, Andrea; Eigler, Siegfried & Abel, Bernd
  
• High-Quality Reduced Graphene Oxide by CVD-Assisted Annealing. The Journal of Physical Chemistry C, 120(5), 3036-3041.
  Grimm, Stefan; Schweiger, Manuel; Eigler, Siegfried & Zaumseil, Jana
  
• Highly Intact and Pure Oxo‐Functionalized Graphene: Synthesis and Electron‐Beam‐Induced Reduction. Angewandte Chemie International Edition, 55(51), 15771-15774.
  Butz, Benjamin; Dolle, Christian; Halbig, Christian E.; Spiecker, Erdmann & Eigler, Siegfried
  
• Oxo‐Functionalized Graphene as a Cell Membrane Carrier of Nucleic Acid Probes Controlled by Aging. Chemistry – A European Journal, 22(43), 15389-15395.
  Pieper, H.; Halbig, C. E.; Kovbasyuk, L.; Filipovic, M. R.; Eigler, S. & Mokhir, A.
  
• Poly(vinylferrocene)–Reduced Graphene Oxide as a High Power/High Capacity Cathodic Battery Material. Advanced Energy Materials, 6(12).
  Beladi‐Mousavi, Seyyed Mohsen; Sadaf, Shamaila; Walder, Lorenz; Gallei, Markus; Rüttiger, Christian; Eigler, Siegfried & Halbig, Christian E.
  
• Quantitative investigation of the fragmentation process and defect density evolution of oxo-functionalized graphene due to ultrasonication and milling. Carbon, 96(2016, 1), 897-903.
  Halbig, Christian E.; Nacken, Thomas J.; Walter, Johannes; Damm, Cornelia; Eigler, Siegfried & Peukert, Wolfgang
  
• Shedding light on the soft and efficient free radical induced reduction of graphene oxide: hidden mechanisms and energetics. RSC Advances, 6(73), 68835-68845.
  Kahnt, A.; Flyunt, R.; Naumov, S.; Knolle, W.; Eigler, S.; Hermann, R. & Abel, B.
  
• Degree of functionalisation dependence of individual Raman intensities in covalent graphene derivatives. Scientific Reports, 7(1).
  Vecera, Philipp; Eigler, Siegfried; Koleśnik-Gray, Maria; Krstić, Vojislav; Vierck, Asmus; Maultzsch, Janina; Schäfer, Ricarda A.; Hauke, Frank & Hirsch, Andreas
  
• Focused electron beam based direct-write fabrication of graphene and amorphous carbon from oxo-functionalized graphene on silicon dioxide. Physical Chemistry Chemical Physics, 19(4), 2683-2686.
  Schindler, Severin; Vollnhals, Florian; Halbig, Christian E.; Marbach, Hubertus; Steinrück, Hans-Peter; Papp, Christian & Eigler, Siegfried
  
• Structural factors controlling size reduction of graphene oxide in liquid processing. Carbon, 125(2017, 12), 360-369.
  Nacken, Thomas J.; Halbig, Christian E.; Wawra, Simon E.; Damm, Cornelia; Romeis, Stefan; Walter, Johannes; Tehrani, Mohammad J.; Hu, Yichen; Ishii, Yoshitaka; Eigler, Siegfried & Peukert, Wolfgang
  
• Systematic evaluation of different types of graphene oxide in respect to variations in their in-plane modulus. Carbon, 114(2017, 4), 700-705.
  Feicht, Patrick; Siegel, Renée; Thurn, Herbert; Neubauer, Jens W.; Seuss, Maximilian; Szabó, Tamás; Talyzin, Alexandr V.; Halbig, Christian E.; Eigler, Siegfried; Kunz, Daniel A.; Fery, Andreas; Papastavrou, Georg; Senker, Jürgen & Breu, Josef
  
• Thermal Disproportionation of Oxo‐Functionalized Graphene. Angewandte Chemie International Edition, 56(31), 9222-9225.
  Grote, Fabian; Gruber, Christoph; Börrnert, Felix; Kaiser, Ute & Eigler, Siegfried
  
• Defects in Graphene Oxide as Structural Motifs. ChemNanoMat, 4(3), 244-252.
  Feicht, Patrick & Eigler, Siegfried
  
• Effect of friction on oxidative graphite intercalation and high-quality graphene formation. Nature Communications, 9(1).
  Seiler, Steffen; Halbig, Christian E.; Grote, Fabian; Rietsch, Philipp; Börrnert, Felix; Kaiser, Ute; Meyer, Bernd & Eigler, Siegfried